125
ЛЕКЦИИ 9–10
ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИКИ АЭРОЗОЛЕЙ
Предмет и задачи механики аэрозолей. – Прямолинейное рав-
номерное движение частиц. – Прямолинейное неравномерное
движение частиц. – Режимы движения частицы в зависимо-
сти от числа Рейнольдса. – Силы, действующие на частицы
в неоднородных газах. Термофорез аэрозолей.
Предмет и задачи механики аэрозолей
Автор термина и основатель важнейшего раздела физики
аэрозолей Н.А. Фукс (1955) дал следующую характеристику
этой дисциплины: «Изучение движения частиц аэрозоля, их
осаждения и коагуляции составляют предмет весьма важного
раздела учения об аэродисперсных системах, который можно
назвать
механикой аэрозолей (этот термин применяется в лите-
ратуре впервые). Сюда же целесообразно отнести тесно примы-
кающий к проблемам осаждения и коагуляции вопрос о явлени-
ях, происходящих при соприкосновении частиц друг с другом и
с макроскопическими телами, а также весьма важный, но чрез-
вычайно мало изученный вопрос об обратных процессах – от-
рыве частиц
от стенок и переходе порошкообразных тел в аэро-
зольное состояние».
Таким образом,
предметом механики аэрозолей (как частно-
го раздела физики аэрозолей) является изучение явлений и про-
цессов с аэрозолями после стадии их образования, т.е. явлений и
процессов эволюции аэрозолей.
Здесь наблюдается полная ана-
логия с пониманием механики как одного из разделов физики.
Задачи механики аэрозолей – разработка адекватных физи-
ко-математических моделей процессов и явлений эволюции аэ-
розолей и создание эффективных экспериментальных методик
их исследования, которые не только верифицируют теоретиче-
ские предсказания, но и открывают новые стороны явлений и
процессов. В результате мы должны объяснить существующие
факты в данной научной области, а также получить возможность
предсказывать
с необходимой точностью ход процессов. Основ-
ные направления, где необходимы результаты решения данных
126
задач – процессы в аэрозольных технологиях, газоочистка, ме-
ханика атмосферного аэрозоля.
Основные теоретические методы механики аэрозолей. Аэро-
золи – это многокомпонентная смесь, причем число компонен-
тов очень велико – различные сорта молекул газов и аэрозоль-
ные частицы различного происхождения, размеров, химического
состава. Для описания механических и теплофизических свойств
такой системы необходимо разработать
физико-
математическую модель
явления или процесса.
Общая методология математического моделирования како-
го-либо физического процесса (объекта) предполагает реализа-
цию трех последовательных этапов:
– построение математической
модели процесса, отражаю-
щей важнейшие свойства исследуемого объекта;
– разработку адекватных модели, экономичных и адапти-
рующихся к особенностям решаемой задачи
алгоритмов для ее
компьютерной реализации;
– создание конкретных эффективных
программ, являющих-
ся «электронным» эквивалентом изучаемого объекта и пригод-
ными для непосредственного испытания на «экспериментальной
установке» - компьютере.
Запись полной системы определяющих уравнений в такой
модели достижима лишь в идеале, асимптотически. Мы всегда
чего-нибудь не знаем – хорошо, если это касается второстепен-
ных деталей процессов и явлений. Во-вторых, идеальная полная
система
уравнений должна быть чрезвычайно большой и гро-
моздкой, а значит – не реализуемой технически. В-третьих, оста-
ется открытым вопрос об ее универсальности для широкого
класса процессов и явлений. Как же математически грамотно и
корректно необходимо поступать в этих ситуациях?
На рис. 9.1 представлена возможная схема реализации фи-
зико-математической модели (ФММ) процесса
, отражающая
общепринятые подходы в теплофизике и физике аэрозолей.